(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのエポキシ、ポリイミドエポキシ、液晶エポキシおよびシアネートエステルを有する高度構造化ホスト樹脂ネットワークと、前記高度構造化ホスト樹脂ネットワーク中に均質に分散し、かつ事実上完全に前記高度構造化ホスト樹脂ネットワークと共反応する無機高熱伝導性充填剤とを有する連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物であって、
前記無機高熱伝導性充填剤は、少なくとも１つのＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＢｅＯ、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣおよびＳｉＯ2を有し、
前記無機高熱伝導性充填剤は表面処理されて、前記高度構造化ホスト樹脂ネットワークと事実上完全に共反応を可能にする表面官能基が導入されており、
前記表面官能基は、少なくとも１つのヒドロキシル基、カルボン酸基、アミン基、エポキシド基、シラン基およびビニル基を有し、
前記無機高熱伝導性充填剤は１〜１０００nmの長さと１０〜５０のアスペクト比を有し、
前記の連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物は、最大で６０体積％の無機高熱伝導性充填剤を有している、
連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物。
【請求項２】
連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物は、最大で３５体積％の無機高熱伝導性充填剤を有する、請求項１に記載の連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物。
【請求項３】
連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物は、さらに架橋剤を有する、請求項１に記載の連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物。
【請求項４】
連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物は多孔質媒体中に含浸される、請求項１に記載の連続した有機−無機高度構造化樹脂組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００４年６月１５日に提出したスミス（Smith）らによる仮出願のUS  60/580,023に優先権を主張するものであり、これを参照して本明細書中に取入れることとする。本出願は、さらにUS特許明細書"樹脂中に組込まれた高熱伝導性材料""樹脂内に配列した熱伝導性材料"、"グラフトした表面官能基を有する高熱伝導性材料"にも関し、全てスミスらにより本明細書と共に提出された。よって、本明細書中に全てを参照して取入れることとする。
【０００２】
本発明の分野
本発明の分野は、高度構造化樹脂に含浸した高熱伝導性材料に関する。
【０００３】
本発明の背景
どのような形の電気器具の用途でも、電気絶縁コンダクターが必要である。あらゆる電気系や電子系の大きさを常に減少させ、かつ合理化させようとする後押しにより、より良好で、かつよりコンパクトな絶縁体ならびに絶縁系を相応して見出す必要がある。
【０００４】
容易に表面に接着できる丈夫かつ柔軟な電気絶縁材料のその実用的利便性により、様々なエポキシ樹脂材料が電気絶縁系において広範に使用されてきた。マイカフレークやガラス繊維のような従来の電気絶縁材料は、表面コーティングでき、かつこれらのエポキシ樹脂に結合して、増大した機械強度、耐薬品性および電気絶縁特性を有するコンポジット材料を製造できる。多くの場合に、エポキシ樹脂は従来のワニスの析出物と置き換わっており、このような材料は幾つかの高電圧電気装置において利用され続けてきた。
【０００５】
良好な電気絶縁体は、その性質により良好な断熱材になる傾向があるが、これは望ましくない。断熱挙動は、特に空冷電気機器ならびに部材に関しては、部材ならびに装置の効率と耐久性を全体的に下げてしまう。最大の電気絶縁性と最小の断熱特性を備えた電気絶縁系を作ることが望ましい。
【０００６】
電気絶縁材は、大抵は絶縁テープの形で生じ、これ自体は種々の層を有する。これらのタイプのテープに共通しているものは、繊維層の境界で結合した紙の層である。両方の層は樹脂で含浸される傾向がある。絶縁材料の好ましいタイプは、マイカテープである。マイカテープへの改善には、米国特許第6103882号に教示されているような触媒添加マイカテープが含まれる。マイカテープはコンダクターの回りに巻かれて、著しく良好な電気絶縁材を提供する。この例は、図１に記載されている。ここに記載されているものは、コンダクター１４の多数の折り返しから成るコイル１３であり、これは実施例に記載されるように組立てられて焼結コイル（bakelized coil）になる。ターン絶縁材１５は、繊維状材料、例えばガラスまたはガラスと熱処理されたダクロンから製造される。コイル用のグランド絶縁材は、焼結コイル１４の回りにコンポジットマイカテープ１６の１つ以上の層を巻付けることにより提供される。このようなコンポジットテープは、例えば、ガラス繊維布またはポリエチレングリコールテレフタレートマットのような柔軟なバッキングシート１８と組合わさった紙または小さなマイカフレークのフェルトであってよく、マイカの層２０は、これに液体樹脂結合剤により結合している。一般に、コンポジットテープ１６の多数の層は、電圧の要求に応じてコイルの回りに巻付けられる。丈夫な繊維状材料、例えば、ガラス繊維の外周テープ２１の巻付けをコイルに適用してもよい。
【０００７】
一般的に、マイカテープ１６の多数の層は、通常高電圧コイルに使用される１６以上の層でコイルの回りに巻付かれる。次に樹脂がテープ層に含浸される。樹脂は、絶縁テープとは独立に絶縁体としても使用できる。意外にも、絶縁材のこの量は、放散熱の厄介な問題を更に加えることになる。必要なものは、通常の方法のものよりも高い熱を導電できるが、電気絶縁材ならびに機械的機能および加熱能力を含めた他の性能因子を妥協しない電気絶縁材である。
【０００８】
従来技術を用いる他の欠点も存在するが、そのうちの幾つかを更なる記載の中で明らかにする。
【０００９】
本発明のまとめ
上記のことを念頭において、方法と装置は、本発明のものと一致する。これは特に高熱伝導性（HTC）含浸媒体を通るフォノンの輸送を容易にして、HTC材料間の距離をフォノン平均自由行程の長さ以下に下げる。これはフォノン散乱を減少し、熱源から離れて、より大きなフォノンの正味のフローまたはフラックスを生じる。従って、樹脂は多層絶縁テープのようなホストマトリックス媒体に含浸される。
【００１０】
高熱伝導性（HTC）有機−無機ハイブリッド材料は、ディスクリートな２相の有機−無機コンポジットから、分子合金をベースとする有機−無機連続相材料から、およびディスクリートな有機−デンドリマーコンポジットから形成することができ、その際、有機−無機界面はデンドリマー型コア−シェル構造内でディスクリートではない。連続相材料の構造は、構造エレメントの長さスケールを熱輸送に重要なフォノン分布よりも短く、または釣り合うように保証することにより、および／またはマトリックスの全体的構造配列を増強することによりフォノン散乱中心の数を減らすことにより、および／またはコンポジット内での界面フォノン散乱を効果的に除去または減少することにより、フォノン輸送を増大し、フォノン散乱を減少させて形成してもよい。連続した有機−無機ハイブリッドは、無機、有機または有機−無機ハイブリッドのナノ粒子を、線状または架橋ポリマー（熱可塑性樹脂を含む）および熱硬化性樹脂に組込むことにより形成してもよく、その際、ナノ粒子寸法はポリマーまたはネットワークセグメントの長さの大きさないし未満（通常１〜５０nm）である。これらの種々のタイプのナノ粒子は、反応性表面を含有し、密接に共有結合したハイブリッドの有機−無機均質材料を形成する。類似した要求は、無機−有機デンドリマーに関しても存在し、これは共に反応するか、またはマトリックスポリマーもしくは反応性樹脂と反応して連続材料を形成してもよい。ディスクリート、またはディスクリートではない有機−無機ハイブリッドの両方の場合に、ゾル−ゲル化学を利用して連続分子合金を形成してもよい。結果として得られる材料は、通常の電気絶縁材料よりも高い熱伝導を示し、かつ通常のマイカガラステープ製造において結合樹脂として使用しても、未反応の真空含浸樹脂として利用してもよく、および独立材料として使用して、回転および静電発電所ならびに高電圧（約５kV以上）および低電圧（約５kV以下）の電気装置、部材および製品において電気絶縁用途を満たしてよい。
【００１１】
規定した物理特性と性能特性を有し、かつ有機ホスト材料の存在でのナノからマイクロの大きさの無機充填剤の使用に基づく工学的電気絶縁材料の形成は、有機ホストと密接な界面を形成できる粒子表面の製造を必要とする。このことは、充填剤の表面へ化学基がグラフトし、ホストマトリックスとの表面化学的および物理的適合性を可能にするか、または表面が有機ホストと反応する化学的反応性官能基を含有して、粒子とホストの間で共有結合を形成することにより達成できる。有機ホスト材料の存在でのナノからマイクロの大きさの無機充填剤の使用は、バルク誘電率、電気特性および熱伝導の他に、規定された表面化学を有する粒子の製造を必要とする。殆どの無機材料は、形状、大きさおよび特性のような構造特性の独立した選択を可能せず、種々の電気絶縁用途に適応しないか、または適性なバランスの特性と性能を有するコンポジットを達成しない。このことは、適切なバルク特性と形状および大きさの特性を有する粒子を選択することにより達成してもよく、よって表面と界面特性ならびに他の特性を変更し、電気絶縁用途に必要なコンポジット特性や性能を更にコントロールしてもよい。このことは、金属および非金属無機酸化物、窒化物、炭化物ならびに混合系の製造を含む粒子の適切な表面コーティング剤により、および電気絶縁系においてホスト材料として働く適切な有機マトリックスと反応できる反応性表面基を含有する有機コーティング剤により達成してもよい。結果として得られる未反応または部分的に反応した形のハイブリッド材料およびコンポジットは、マイカガラス製造において結合樹脂として、通常のマイカテープ製造用の未反応の真空含浸樹脂として、他のガラス繊維、カーボン繊維およびplyタイプならびに織物コンポジットにおいて、および独立した材料として使用して、回転および静電発電所、高電圧および低電圧両方の電気装置、部材および製品における電気絶縁用途を満たしてもよい。
【００１２】
１実施態様では、本発明は高度構造化ホスト樹脂マトリックスと高熱伝導性充填剤を有する高熱伝導性高度構造化樹脂を提供する。高熱伝導性充填剤は、１〜１００nmの長さであり、かつ高熱伝導性充填剤は３〜１００のアスペクト比を有する。特に高度に構造化された高度構造化樹脂には、少なくとも１つの液晶ポリマー、相互貫入ネットワーク、デンドリマータイプのマトリックス、膨張性ポリマー、ラダーポリマー、スターポリマーおよび構造化有機−無機ハイブリッドが含まれる。
【００１３】
他の実施態様では、本発明は、高度構造化ホスト樹脂ネットワークと、前記の高度構造化ホスト樹脂ネットワーク中に均質に分散し、事実上完全に高度構造化ホスト樹脂ネットワークと共反応する無機高熱伝導性充填剤とを有する連続した有機−無機高度構造化樹脂を提供する。高熱伝導性充填剤は、１〜１０００nmの長さと１０〜５０のアスペクト比を有し、高熱伝導性充填剤は、少なくとも１つの酸化物、窒化物および炭化物から選択される。連続した有機−無機高度構造化樹脂は、高熱伝導性充填剤を最大で６０体積％有する。特殊な実施態様では高熱伝導性充填剤は、表面処理されて高度構造化ホスト樹脂ネットワークと事実上完全に共反応できる表面官能基を導入される。
【００１４】
他の実施態様では、本発明は多孔質媒体と高熱伝導性材料を装填した高度構造化樹脂とを有する、高熱伝導性高度構造化樹脂で含浸した多孔質媒体を提供する。高熱伝導性材料は高度構造化樹脂を５〜６０体積％有する。高熱伝導性材料は、３〜１００のアスペクト比を有し、かつ高度構造化樹脂は、少なくとも１つの液晶ポリマー、相互貫入ネットワーク、デンドリマータイプのマトリックス、膨張性ポリマー、ラダーポリマー、スターポリマーおよび構造化有機−無機ハイブリッドである。特殊な実施態様では、高熱伝導性材料は、約１〜１０００nmの大きさと、１０〜５０のアスペクト比を有する少なくとも１つのシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛およびダイヤモンドならびにデンドリマーである。
【００１５】
詳細な説明の記載から明らかになる本発明の他の実施態様も存在する。
【００１６】
図の簡単な説明
本発明を以下の図面について例を用いて更に詳細に説明する。
【００１７】
図１は、ステーターコイルの回りに巻かれた絶縁テープの使用を示している。
【００１８】
図２は、本発明の装填樹脂を通って移動するフォノンを示している。
【００１９】
図３は、高度構造化液晶樹脂内に配列したＨＴＣ充填剤を示している。
【００２０】
図４は、高度構造化POSS樹脂内に配列したＨＴＣ充填剤を示している。
【００２１】
本発明の詳細な説明
高熱伝導（HTC）性コンポジットは、２相の有機−無機ハイブリッド材料である充填剤と組合わさった樹脂性ホストネットワークを有する。有機−無機ハイブリッド材料は、２相の有機−無機コンポジットから、分子合金をベースとする有機−無機連続相材料から、ならびに有機−無機界面がデンドリマー型コア−シェル構造とはディスクリートではないディスクリートな有機−デンドリマー型コンポジットから形成することができる。構造エレメントの長さスケールを熱輸送に重要なフォノン分布よりも短く、または釣り合うように保証することにより、フォノン輸送が増強し、フォノン散乱が減少する。
【００２２】
２相の有機−無機ハイブリッドは、線状または架橋ポリマー（熱硬化性樹脂）および熱硬化性樹脂中に無機マイクロ、メソまたはナノ粒子を組込むことにより形成してもよい。ホストネットワークには、ポリマーおよび他のタイプの樹脂が含まれ、この定義は以下に挙げてある。一般に、ホストネットワークとして働く樹脂は、粒子と相溶性であり、必要な場合には、充填剤の表面で導入される基と反応できるいずれかの樹脂であってよい。ナノ粒子の寸法は、一般にポリマーネットワークのセグメント長さの大きさ、またはこれ未満であり、例えば１〜３０nmである。無機粒子は、反応性表面を含有し、共有結合したハイブリッドの有機−無機均質材料を形成する。粒子は、酸化物、窒化物、炭化物ならびにハイブリッドの化学量論的および非化学量論的酸化物、窒化物および炭化物の混合物であってよい。この更なる例は、以下に挙げてある。
【００２３】
無機粒子は表面処理されて、ホストネットワークとの反応に参加できる様々な表面官能基が導入される。表面反応性基には、ヒドロキシル基、カルボン酸基、アミン基、エポキシド基、シラン基およびビニル基が含まれるが、これに限定されることはない。基は、湿式化学法、非平衡プラズマ法、化学蒸着法および物理蒸着法、レーザービーム、スパッタイオンメッキ法および電子ならびにイオンビーム蒸着法を用いて付与してもよい。
【００２４】
ディスクリートな有機デンドリマーコンポジットは、共に反応するか、または樹脂マトリックスと反応して単一の材料を形成してもよい。デンドリマーの表面は、上記のようなものに類似した反応性基を含有でき、これはデンドリマーとデンドリマーまたはデンドリマーと有機マトリックスの反応を生じさせることを可能にする。デンドリマーは、興味のある反応性基を含有する無機コアと有機シェルを有するようになる。通常のゾル−ゲル化学に含まれるものに類似した無機反応に参加できるヒドロキシルまたはシラン基のような反応性基を含有する無機シェルと有機コアを有することもできる。
【００２５】
ディスクリートではない有機−無機ハイブリッドの使用に関しては、ゾル−ゲル化学を使用して、連続した分子合金を形成できる。水性および非水性反応に関わるゲル−ゾル化学を使用してもよい。有機−無機ハイブリッドを形成するための他の化合物には、多面体オリゴマー状シルセスキオキサン（POSS）、テトラエチルオルトシリケート（TEOS）およびテトラブチルオルトチタネート（TBOT）ならびに有機官能化無機化合物である関連するモノマーおよびオリゴマーのハイブリッド化合物が含まれる。POSSの例では、分子はＲ−ＳｉＯ1.5［式中、Ｒ基は他の有機化合物ならびにホストネットワークと相溶化するように、かつ／または反応するように選択される］の構成単位の回りで形成される。ベース化合物は、組合わさってポリマーセグメントとコイル構造の大きさに比例した大きな分子を生じてもよい。POSSを使用して有機−無機ハイブリッドを形成してもよく、かつ存在するポリマーおよびネットワーク中にグラフトして、熱伝導を含めた特性をコントロールしてもよい。材料は、AldrichTM Chemical Co., Hybrid PlasticsTM Inc.およびGelestTM Inc.のような提供者から得ることもできる。
【００２６】
上記のように、材料の構造形をコントロールしてフォノン散乱を減らすことが重要である。このことは、そのマトリックスが高い熱伝導を示すことが知られているナノ粒子を使用することにより更に補助でき、かつ粒度および樹脂とのその界面特性がこの効果を維持することが保証され、かつ少ないフォノン散乱に必要な長さスケールが満たされる。より高度に配列した構造の選択は、短い範囲および長い範囲両方の周期性ならびにラダー構造もしくは配列したネットワーク構造を有する反応したデンドリマー結晶格子を含めてこのためになり、これは、液晶エポキシドおよびポリブタジエンのようなホスト樹脂から形成してもよい。
【００２７】
充填樹脂は、回路基板や絶縁テープのような様々な工業で結合樹脂として使用してもよい。絶縁テープの特殊な種類は、発電機の分野で使用されるマイカ−ガラステープである。これらのタイプのテープを有する樹脂は、結合樹脂として、またはこの分野で知られているような含浸樹脂として使用できる。充填樹脂は、テープを用いずに発電機の分野で使用して、回転および静電発電所装置の部材において電気絶縁用途を満たしてもよい。
【００２８】
テープは、電気的対象物に適用する前または後に樹脂で含浸してもよい。樹脂含浸法には、以下に記載するようなVPIとGVPIが含まれる。VPIでは、一度テープが巻付かれて含浸されると、圧縮される。所定の位置に一旦つくと、圧縮テープ中の樹脂が硬化し、これがＨＴＣ材料の位置を効果的に固定する。幾つかの実施態様では、この分野の通常の当業者に明らかであるように、樹脂は２工程プロセスで硬化される。しかし、装填ＨＴＣ材料の最適圧縮は、圧縮工程の間は完全に硬化しない樹脂を好む。
【００２９】
図２には、樹脂性マトリックス３２に装填されたＨＴＣ材料３０が記載されている。マトリックスを通って移動するフォノン３４は、平均行程長さｎを有するが、これがフォノン平均自由行程である。この行程長さは樹脂マトリックスの正確な組成物に依存して変化できるが、これは一般にエポキシ樹脂のような樹脂に関しては２〜１００nm、より一般には５〜５０nmである。従って、装填ＨＴＣ材料間の平均距離は、平均してこの距離未満であるべきである。ＨＴＣ材料間の距離は、テープの横断方向に対する厚さで変えることができ、かつこれは一般にスペーシングを最適化するのに必要な厚さ方向であることに留意されたい。
【００３０】
フォノン３４が樹脂３２を通って移動するにつれて、これらのフォノンは組込まれたＨＴＣ材料３０に沿って通って行く傾向がある。このことは、局所のフォノンフラックスを増大させる。それというのも、約０．１〜０．５W／mKである樹脂とは対照的に、未処理のＨＴＣ材料が１０〜１０００W／mKの間の熱伝導を有するようになるからである。フォノンが装填ＨＴＣに沿って通るにつれて、材料間の距離がｎ未満である場合には、フォノン３６は次のＨＴＣ材料を通るようになり、従ってＨＴＣ材料は連続したネットワークを形成する。図２は、理想的な行程を示している。実際には、材料間の距離が短くなるにもかかわらず、フォノンが樹脂とＨＴＣ材料の間を通るにつれてフォノン散乱があり、かつＨＴＣ材料と樹脂の間のフォノン伝播特性の適合が良いほど、散乱が少なくなる。
【００３１】
樹脂中に装填されるＨＴＣ材料の量は、実際に極めて少なくてもよい。例えば、図２に記載されているように約１０％でよい。従って、装填ＨＴＣ材料間の平均距離、または長さのスケールは、僅かにｎよりも大きくてよい。しかし、多くのパーセンテージはｎ未満であるので、本発明の実施態様の範囲内におさまる。特殊な実施態様では、次のＨＴＣ材料からの距離がｎ未満であるパーセンテージ材料は５０％以上であり、特殊な実施態様では７５％以上である。特殊な実施態様では、ＨＴＣ材料の平均長さはｎ以上であり、これは更にフォノン輸送を補助する。
【００３２】
ｎが短いほど、装填ＨＴＣ材料の濃度は大きくなり、逆に粒度が大きいほど、必要なＨＴＣ材料は減る。特殊な実施態様では、樹脂と充填剤の全体体積の５〜６０％の装填ＨＴＣ材料を使用し、より特別な実施態様では２５〜４０％である。樹脂がテープに含浸される場合には、これはテープ繊維と基質の間の空間を埋める。しかし、この時点でのテープ内のＨＴＣ分布は、大抵は最適化されておらず、むしろｎ以上のＨＴＣ材料間の平均距離を有する。よって、本発明の実施は、樹脂を含浸したテープを圧縮して装填ＨＴＣ材料間の距離を減らす。
【００３３】
装填樹脂がテープに含浸される場合には、特に樹脂の３０％以上が充填剤である場合にはテープの繊維または粒子はＨＴＣ材料の幾つかをブロックするように働く。しかし、テープを圧縮することにより、逆のことが生じ、ＨＴＣ材料自体が全体の構造の不可動部分に結合するので、より多くの充填剤がテープ内に閉じこめられる。ＨＴＣ充填剤は、互いに固定される。特定の実施態様では、充填剤は樹脂マトリックスとは反応しないことが示されてきたが、幾つかの実施態様では、充填剤は樹脂と共有結合を形成し、より均質なマトリックスを形成する。均質なマトリックス中では、充填剤に結合した樹脂分子は結合していない樹脂分子よりも良好に圧縮の間に保持されるであろう。
【００３４】
樹脂は、多くの工業で使用されており、かつ多数の用途がある。樹脂の様々な特性は、それらの用途に影響するだけではなく、共に使用される製品の品質と効率にも影響する。例えば、樹脂を電気絶縁用途で使用する場合には、それらの絶縁耐力と電圧耐久特性は、熱安定性と熱耐久性のように高くなる必要がある。しかし、大抵はこの目的とは異なり、樹脂は一般に低い熱伝導を有する。本発明は、通常の電気絶縁材料よりも高い熱伝導を有する系を製造するために導入される樹脂と絶縁系の様々な物理特性のバランスを取り、その際に、絶縁強度、電圧耐久特性、熱安定性および熱耐久性、機械的強度および粘弾性応答のような重要な物理特性は適切に、むしろ増大して維持される。熱および機械的サイクリング効果が原因で起こる応力により生じる層割れおよびマイクロな間隙の形成は、減少または除去される。ここで使用されているように、樹脂という用語は、変性エポキシ、ポリエステル、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ビスマレイミド、シリコーン、ポリシロキサン、ポリブタジエン、シアネートエステル、炭化水素などを含めた全ての樹脂とエポキシ樹脂ならびにこれらの樹脂の均質なブレンドを意味する。この樹脂の定義には、架橋剤、促進剤およびその他の触媒および加工助剤のような添加剤が含まれる。液晶熱硬化性樹脂（LCT）や１，２−ビニルポリブタジエンのような特定の樹脂は、低分子量特性と良好な架橋特性を兼ね備えている。この樹脂は、ヘテロ原子含有または不含の炭化水素のような有機マトリックスであるか、シリケートおよび／またはアルミノケイ酸塩成分含有の無機マトリックス、ならびに有機および無機マトリックスの混合物であることができる。有機マトリックスの例には、ポリマーまたは反応性熱硬化性樹脂が含まれ、これは必要な場合には無機粒子表面上に導入された反応性基と反応できる。架橋剤を樹脂に添加して最終的な架橋ネットワークの構造やセグメントの長さ分布を操作することもでき、これは熱伝導においてプラスの効果を有することができる。この熱伝導の強化は、触媒、促進剤ならびに他の加工助剤のような他の樹脂添加剤による変性により得ることもできる。
液晶熱硬化性樹脂（LCT）や１，２−ビニルポリブタジエンのような特定の樹脂は、低分子量特性と良好な架橋特性を兼ね備えている。これらのタイプの樹脂は、それらの下部構造のマイクロおよびマクロ配列が向上し、これが改善されたフォノン輸送を生じる結果、強化された熱伝導を導くことができるので、良好に熱を伝える傾向がある。
【００３５】
これらのタイプの樹脂は、高度構造化（HS）樹脂と称される。それというのも、これらは、硬化する場合に架橋の前と間の両方で高度に整ったミクロ構造を形成するからである。この構造には、結晶性、パラ結晶性および液晶構造、独特なポリマー構成物、制御された架橋ならびに硬化の際のネットワーク拡大や収縮が含まれる。ＨＳ樹脂の使用は、ＨＴＣ特性、特に熱伝導性を増強し、かつ電気および機械特性に著しい増強を達成することができる。さらに、ＨＳ樹脂の配列は、ＨＴＣ充填剤の配列／整列を補助でき、これは更にそれらの物理特性を増強し、むしろ樹脂マトリックスと充填剤の間の共有結合を増大させることができる。なぜなら、樹脂とマトリックスの間の立体障害が低いからである。
【００３６】
ＨＳ樹脂の特殊なタイプの例は、７つのカテゴリーに割り当てられる。上記の液晶ポリマーは、相互貫入ネットワーク（IPNs）、デンドリマータイプのマトリックス、膨張性ポリマー、ラダーポリマー、スターポリマーおよび構造化有機−無機ハイブリッドである。
【００３７】
液晶ポリマーは、高い加熱撓みのような優れた物理特性をその他の物理特性を保持しながら提供する一般的な芳香族ポリエステルである特殊なクラスのポリマーである。液晶ポリマー構造は、密集して充填された高結晶性繊維ポリマー鎖を有し、これは殆どポリマーの融点まで自己補強を提供する。特殊な例には、XydarTM（ビフェノールベース）、VectraTM（ナフタレンベース）、ZeniteTM（DuPontTM社製）が含まれる。図３は、樹脂３２が小さなスケールで自己整列する傾向のあるメソゲン基を形成するＬＣＴタイプの樹脂４０である図の例を示している。メソゲン基は、樹脂のタイプに応じて０．５〜１００nmの長さの傾向があり、メソゲン基の凝集物は数百ナノメーターの長さであることができる。メソゲン基内で配列しているものは、HTC充填剤３０である。特殊な実施態様では、メソゲン基は、ＨＴＣ充填剤と協力して配列される。これによりメソゲン基の整列は、充填剤の基が配列する際に補助でき、数千ナノメーターの長さである配列箇所を作る。これとは反対に、整列した充填剤は、ＨＳ樹脂の配列を補助することができる。
【００３８】
相互貫入ネットワーク（IPN’s）は、それぞれがネットワークの形である２つのポリマーを含有する材料である。非共有結合型セミ−IPN、非共有結合型フル−IPNおよび共有結合型セミ−IPNのような数種類のIPN構造物が存在する。非共有結合型セミ−IPNは、ポリマー系のうち１つだけが架橋したものである。非共有結合型フルIPNは、独立に架橋した２つの別々のポリマーを有する。共有結合セミ−IPNは、架橋して１つのポリマーネットワークを形成する２個の別々のポリマー系を含有する。共有結合型セミ−IPNは、非共有結合型IPNに類似している。なぜなら、ポリマー系のうちの１つが、２番目の線状系と網状結合することなく架橋できるからである。ThermalasticTM樹脂は、ポリスチレン鎖がエポキシ−無水物／ポリエステルと架橋しているセミ−IPN樹脂の例である。有機−無機共有結合型IPN材料は、ビニル官能基によるラジカル重合により、またはシリコンアルコキシドモノマー上の有機部分との縮合により、骨格鎖に沿ってシリコンアルコキシドを挿入できる。これらのタイプのIPNは、無機ネットワークと無機充填剤との相互作用を可能にする。
【００３９】
有機−無機構造化ハイブリッドには、多面体オリゴマー状シルセスキオキサン（POSS）、テトラエチルオルトシリケート（TEOS）およびテトラブチルオルトチタネート（TBOT）ならびに上記の関連するモノマーおよびオリゴマーハイブリッド化合物が含まれる。図４には、HTC充填剤３０で含浸されたPOSSネットワーク６０の例が示されている。図には特記されていないが、充填剤とホストネットワークの間の共有結合は幾つかの実施多様では可能である。
【００４０】
デンドリマータイプのマトリックスは、ここで検討されているデンドリマー充填剤と類似点を分け合っているが、充填剤よりもホストマトリックスを形成する。デンドリマーポリマーは、コア、および世代と呼ばれ、コアに容易に結合する多くの枝分かれまたは繰り返し単位を含有している内部領域、および末端部分の外部領域を有している。デンドリマーは、構成成分を精密に調節することにより多重の構造に定義付けることができる。デンドリマーの表面は、他のポリマー種と反応して珍しいポリマー構造を生じることができる多くの官能基から成っていることができる。官能基には、ＬＴＣエポキシのような樹脂と反応するアミノ、ヒドロキシルおよびカルボキシルが含まれる。特殊なタイプのデンドリマーには、ポリプロピレン−イミン、ポリアミド−アミンおよび有機シリコン外部を有するポリアミド−アミンが含まれる。このタイプのポリマーは、無機充填剤を包含して無機ネットワークを形成することもできる。
【００４１】
膨張性ポリマーは、高度に張った環状モノマーのクラスであり、これは高度に張った環状環を開いて重合化させるように体積を増大させる能力がある。従って、ポリマーは硬化するにつれて膨張し、殆どの樹脂のように収縮しない。全体の膨張体積は、５〜１０％であってよい。開環を生じる重合メカニズムは、アニオン、カチオンまたはフリーラジカルであることができ、よってエポキシ樹脂とビニルモノマー含有樹脂を有するコポリマーは、反応力学の類似性により有用である。膨張モノマーの例には、スピロ、オルトエステル、スピロオルトカーボネート、サイクリックケテンアセタール、サイクリックビニルエーテル、不飽和スピロオルトカーボネートならびに不飽和スピロオルトエステルが含まれる。これらのタイプの材料により示される硬化の際の膨張現象は、ミクロ構造レベルでの高い内部圧縮を生じることにより、ＨＴＣ充填剤を添加する利点があり、増大した粒子接触を生じて、これが熱伝導性と電圧耐久性を増す。１実施態様では、ＨＴＣ充填剤に共有結合しているモノマー単位と組み合わさって、膨張に重要な高度に張った環構造がある。列挙された多くのＨＳ樹脂を相互に混合できるが、膨張性ポリマーは特に液晶ポリマーと組合せるのに適している。
【００４２】
ラダーポリマーは、２つの主鎖または骨格から成り、互いに一定の間隔をあけて結合してラダータイプの構造を作っている高度に構造化されたポリマーである。二無水物とテトラアミンから形成されるポリイミドは、この１例である。二本鎖のラダーは、分子が中断されていない連続した環から成るポリマーが、隣り合う環と通常１個の原子（スピロポリマー）または通常２個以上の原子（ラダーポリマー）を共有する場合に生じる。
【００４３】
スターポリマーは、デンドリマーに似ているが、これらが合成される方法や化学構造が異なる。スターポリマーは、小さなコアから生じる多数の同じ大きさの鎖により特徴付けられる。これらのポリマーの球状型および分枝の高い程度は、スターポリマーに高い緻密さやセグメント密度のような独特の特性を与える。特殊なスターポリマーの例は、ポリスチレンのアーム分枝を有するジビニルベンゼンコアを有する。他の例は、ポリエチレン分枝を有するメタクリレートコアである。アーム長さは、スチレンや開始系スキームの化学量論的特性によりコントロールでき、かつアーム数は化学量論量のジビニルベンゼンにより制御される。
【００４４】
本発明の高熱伝導性充填剤を樹脂と混合する場合には、これらは連続生成物を形成するが、この中では樹脂と充填剤の間には界面がない。幾つかの場合には、充填剤と樹脂の間に共有結合が形成される。しかし、連続性は幾分主体的であり、かつ観測者が使用するスケールに依存する。マクロスケールでは、生成物は連続的であるが、ナノスケールでは、充填剤と樹脂ネットワークの間でなお明確な相がある。従って、高熱伝導性充填剤を樹脂と混合することは、マクロスケールではこれらは連続した有機−無機コンポジットを形成するのに対して、マイクロスケールでは同じ混合物をハイブリッドと称することができる。
【００４５】
上記のように、充填した樹脂はテープを用いずに発電機の分野で使用して、回転および静電装置部材において電気絶縁用途を満たしてもよい。発電機における高熱伝導性材料の使用は多重である。ステーターコイル内では、設計を最適化するために高熱伝導を有すべきであるグランドウォール以外に部材材料がある。他の部材のように、コイルと関連させて熱の除去を最大化させる。ステーターの設計を改善すると、発電機の効率を最大化できるようにローターの設計も改善する必要がある。
【００４６】
本発明の１実施態様では、高熱伝導（ＨＴＣ）性材料を樹脂に加えて樹脂の熱伝導が高められる。幾つかの実施態様では、樹脂の他の物理特性は、より高い熱伝導と引換に減少してしまう。しかし、他の実施態様では他の幾つかの物理特性は著しく影響されず、幾つかの特別な実施態様では、これらの特性は改善される。特殊な実施態様では、並んだ下部構造を有するＬＣＴエポキシのような樹脂にＨＴＣ材料が加えられる。これらのタイプの樹脂に加える場合には、使用されるＨＴＣ材料の量を、並んだ下部構造のない樹脂での使用に対して減らすことができる。
【００４７】
樹脂に装填したＨＴＣ材料は、添加されると物理的および／または化学的に樹脂と相互作用するか、または反応して熱伝導を改善するような様々な物質である。１実施態様では、ＨＴＣ材料はデンドリマーであり、かつ他の実施態様では、このデンドリマーは３〜１００、特に１０〜５０の範囲内のアスペクトの比（横方向の平均寸法：縦方向の平均寸法の比）を有する高アスペクト比粒子を含めた所定の大きさまたは形状を有するナノまたはマイクロ無機充填剤である。
【００４８】
関連する実施態様では、ＨＴＣ材料は所定の大きさと形状分布を有していてよい。両方の場合に、充填剤粒子の濃度と相対濃度は、バルク結合（いわゆる浸透）構造が達成されるように選択される。このことは、容量充填ありまたは無しの高い熱伝導性を与え、増強した熱伝導を有する構造的に安定なディスクリートな２相コンポジットを達成する。関連する他の実施態様では、ＨＴＣ材料の配向は熱伝導を増大する。なお、他の実施態様では、ＨＴＣ材料の表面コーティングはフォノン輸送を増強する。これらの実施態様は、他の実施態様とは独立しているか、または完全に関連している。例えば、デンドリマーは、熱硬化性樹脂や熱可塑性材料のような他のタイプの高度構造化材料と結合する。これらは、ＨＴＣ材料がフォノン散乱を減少するように樹脂マトリックス中に均質に分布し、かつフォノンに対してマイクロスケールの架橋を提供し、ＨＴＣ材料の間で良好な熱導電性界面を提供する。高度構造化材料は、１つの方向、または局在化したもしくはバルク異方性電気絶縁材料を作る方向に沿って熱伝導が増大するように配列される。他の実施態様では、低熱伝導充填剤を高熱伝導率を有する金属酸化物、炭化物または窒化物ならびに混合系で表面コーティングすることによりＨＴＣが達成され、これらは所定のバルク特性のある充填剤に物理的または化学的に結合しており、このような結合は、化学蒸着法および物理蒸着法ならびにプラズマ処理のような方法により達成されてもよい。
【００４９】
関連する実施態様では、ＨＴＣ材料は、事実上不所望な顕微鏡的界面や種々の粒子湿潤およびマイクロ間隙形成のない樹脂と一緒に事実上均質な混合物を形成する。これらの均質な材料は、通常の電気絶縁材料におけるフォノン波長またはフォノン平均自由行程よりも短い長さスケールではディスクリートではない連続相材料を形成する。幾つかの実施態様では、誘電破壊をコントロールするために意図する界面を樹脂構造中に置くことができる。絶縁材料中では、正常な条件が与えられて誘電破壊が生じる。２相系での界面の性質と空間分布をコントロールすることにより、誘電破壊強さと長期電気耐久性を増強できる。絶縁耐力の増大は、増大した焼き締まり、マイクロ間隙の除去および内部機械圧縮強さの高いレベルゆえに部分的に生じる。
【００５０】
本発明の樹脂は、マイカテープおよびガラスおよびポリエステルテープのような他のコンポジット構造物の含浸に使用してもよい。通常は電気絶縁材に使用される標準のマイカ（白雲母、金雲母）の他に、黒雲母マイカならびにカオリナイト、ハロイサイト、モンモリロナイトおよびクリライトのような幾つかの他のマイカのようなアルミノケイ酸塩材料もある。モンモリロナイトは、その構造の中にラティスを有し、これはポリマー樹脂、金属カチオンおよびナノ粒子と共に容易に挿入されて、高い絶縁耐力コンポジットを生じることができる。
【００５１】
他の実施態様では、本発明は絶縁が望ましい表面上での連続コーティングとして使用される；ここで"連続コーティング"とは、マクロスケールの用途での説明であることに留意されたい。連続コーティングでは、テープまたは他の基質の必要なく樹脂は材料上でコーティングを形成する。基質と一緒に使用する場合には、様々な多種の方法によりＨＴＣ材料を樹脂と結合することができる。例えば、これらは樹脂を基質に加える前に添加するか、または樹脂を含浸する前にＨＴＣ材料を基質に添加できる。また、樹脂を初めに加え、続いてＨＴＣ材料を加え、次に付加的な樹脂の含浸を行うことができる。他の製造法と加工法は、通常の当業者には明らかである。
【００５２】
１実施態様では、本発明はより高い熱伝導を提供し、かつ他の重要な特性と性能特性を維持もしくは増強する新規有機−無機材料を使用する。このような材料は、高熱伝導が増強した電力定格、絶縁材の少ない厚さ、よりコンパクトな電気設計および高い熱輸送の点で利点を与える場合には、他の高電圧および低電圧電気絶縁状況において用途がある。本発明は、アルミナ、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛およびダイヤモンドのようなナノ、メソおよびマイクロの無機ＨＴＣ材料ならびに他のものを加えて、より高い熱伝導を与える。これらの材料は、様々な結晶形や形態学的形を有することができ、かつマトリックス材料で直接に、またはキャリヤー液として働く溶剤により加工してもよい。溶剤混合物を使用して、ＨＴＣ−材料をマトリックス中に混合して、マイカテープのような様々な基質にしてもよい。これとは反対に、本発明の他の実施態様を形作る分子ハイブリッド材料は、ディスクリートな界面を有さず、有機物内の無機相により与えられる利点を有する。これらの材料は、熱安定性、引張強さ、曲げ強さおよび衝撃強さ、可変周波数および温度依存性機械的モジュライおよび損失ならびに一般的粘弾性応答などのような他の物理的特性への強化を与えてもよい。
【００５３】
他の実施態様では、本発明は、有機−無機界面がコア−シェル型デンドリマー構造とはディスクリートではないディスクリートな有機−デンドリマーコンポジットを有する。デンドリマーは、３次元ナノスケールのクラスであり、中心コアの上に形成されるコア−シェル構造である。コアは、有機または無機材料から成っていてよい。中心コアの上に形成することにより、デンドリマーは同軸シェルの連続した添加により形成される。シェルは分枝した分子基を有し、かつ各分枝シェルは世代と称される。一般に、使用される世代の数は、１〜１０であり、外側のシェル中の分子基の数は世代と共に指数的に増大する。分子基の組成物は、精密に合成することができ、外側の基は、反応性官能基であってもよい。デンドリマーは、樹脂マトリックスと連結ならびに相互に連結することができる。従って、これらをＨＴＣ材料として樹脂に加えることもでき、また他の実施態様では、慣用の樹脂に加えることなくマトリックス自体を形成してもよい。
【００５４】
分子基は、相互に反応する能力、または樹脂との反応能力について選択できる。しかし、他の実施態様では、デンドリマーのコア構造は熱伝導を補助するその独自の能力、例えば、以下に記載するような金属酸化物について選択される。
【００５５】
一般に、デンドリマーが大きいほど、フォノン輸送エレメントとして働く能力が大きい。しかし、材料を透過するその能力と、その浸透ポテンシャルは、その大きさにより不利に影響し得るので、最適な大きさは必要な構造と特性のバランスを達成するように探求される。他のＨＴＣ材料のように、溶剤をデンドリマーに加え、マイカまたはガラステープのような基質のそれらの含浸を補助することができる。多くの実施態様では、デンドリマーは種々の分子基を有する様々の世代と共に使用される。
【００５６】
市販の有機デンドリマーポリマーには、ポリアミド−アミンデンドリマー（PAMAM）およびポリプロピレン−イミンデンドリマー（PPI）およびPAMAM内部構造と有機ケイ素外部を有するデンドリマーであるPAMAM-OSが含まれる。最初の２個は、AldrichChemical TM から、最後の１個はDow-CorningTMから入手可能である。
【００５７】
同様の必要性は、無機−有機デンドリマーについても存在し、これは共に反応するか、またはマトリックスポリマーもしくは反応性樹脂と反応し、単一の材料を形成してもよい。この場合に、デンドリマーの表面は、デンドリマーとデンドリマー、デンドリマーと有機物、デンドリマーとハイブリッドおよびデンドリマーとＨＴＣマトリックスの反応を生じることができる上記のものに類似した反応性基を含有していてもよい。この場合に、デンドリマーは、無機コアと有機シェルを有するようになるか、または逆に有機もしくは無機反応性基または興味のあるリガンドを含有する。よって、無機シェルを有する有機コアを有することもでき、前記無機シェルはヒドロキシル、シラノール、ビニル−シラン、エポキシ−シランのような反応性基ならびに通常のゾル−ゲル化学に関わるものに類似した無機反応に参加できる他の基も含有する。
【００５８】
全ての場合に、構造エレメントの長さスケールを熱輸送に重要なフォノン分布よりも短く、または釣り合うように保証することによりフォノン輸送は増大し、かつフォノン散乱は減少する。より大きなＨＴＣ粒状材料は、それ自身で実際にフォノン輸送を増大するが、しかしより小さなＨＴＣ材料は樹脂マトリックスの性質を変えることができる。これにより、フォノン散乱の変化に影響を及ぼす。このことは、そのマトリックスが高い熱伝導を示すことが知られているナノ粒子を使用することにより更に補助でき、かつ粒度および樹脂とのその界面特性がこの効果を維持することが保証され、かつ少ないフォノン散乱に必要な長さスケールが満たされる。短い範囲および長い範囲両方の周期性ならびにラダー構造もしくは配列したネットワーク構造を有する反応したデンドリマー結晶格子を含めて、より高度に配列した構造を選択する必要があり、これは、液晶エポキシド樹脂やポリブタジエンのようなマトリックスから形成してもよい。従来技術の樹脂マトリックスは、約０．１５W／mKの最大熱伝導率を有する。本発明は、０．５〜５W／mK、むしろこれ以上の熱伝導率を有する樹脂を提供する。
【００５９】
連続した有機−無機ハイブリッドは、線状または架橋ポリマーおよび熱硬化性樹脂中に無機ナノ粒子を組込むことにより形成してもよく、その際ナノ粒子寸法はポリマーまたはネットワークセグメントの長さの大きさないし未満（通常１〜５０nm）である。これには、３つのルートもしくはメカニズムが含まれるが、次のものに限定されるわけではない（i）側鎖グラフティング、（ii）包括的グラフティング（例えば、２つのポリマー鎖の末端の間）、（iii）少なくとも２個、通常幾つかのポリマー分子を含む架橋グラフティング。これらの無機ナノ粒子は、反応性表面を含有して、密接に共有結合した均質な有機−無機ハイブリッド材料を形成する。これらのナノ粒子は、金属酸化物、金属窒化物および金属炭化物ならびに非金属酸化物、窒化物および炭化物であってもよい。例えば、アルミナ、酸化マグネシウムおよび酸化亜鉛ならびにその他の金属酸化物、窒化ホウ素および窒化アルミニウムおよび他の金属窒化物、炭化ケイ素およびその他の炭化物、天然または合成源のダイヤモンド、および各タイプの様々な物理的形態、その他の金属炭化物およびハイブリッドの化学量論および非化学量論的混合酸化物、窒化物および炭化物であってもよい。これらの特殊な例には、混ざった化学量論および非化学量論的組合せを有するＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＢｅＯ、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣおよびＳｉＯ2が含まれる。さらに、これらのナノ粒子は表面処理されて、ホスト有機ポリマーまたはネットワークとの反応に参加できる様々な表面官能基が導入される。シリカや、その他のバルク充填剤のようなＨＴＣではない材料を、ＨＴＣ材料でコーティングすることもできる。これは、より高価なＨＴＣ材料が使用される場合の任意選択であってよい。
【００６０】
樹脂中のＨＴＣ材料の体積パーセントは、約６０体積％まで、またはそれ以上であってよい。特に、約３５体積％までである。より高い体積充填は、マトリックスに更に高い構造安定性を与える傾向がある。しかし、大きさと形状分布の調節により、粒子結合とＨＴＣ材料の配列の程度は、１体積％未満という少なさを占めることができる。構造安定性の理由により、浸透が生じるのに必要な最小量よりも多い量を加えるのが有用である。従って、樹脂は物理的歪みに耐えることができ、かつ浸透構造とＨＴＣ特性に損傷を与えることなく変形できる。
【００６１】
表面官能基の添加には、ホスト有機ポリマーまたはネットワークと化学反応して樹脂系を形成できるヒドロキシル基、カルボン酸基、アミン基、エポキシド基、シラン基およびビニル基が含まれる。官能基は、無機充填剤の表面上に自然に存在するか、または湿式化学法、プラズマ重合を含む非平衡プラズマ法、化学蒸着法および物理蒸着法、スパッタイオンメッキ法および電子ならびにイオンビーム蒸着法を用いて付与してもよい。マトリックスポリマーまたは反応性樹脂は、ナノ粒子と相溶性であり、必要な場合にはナノ粒子表面で導入される反応性基と反応できるどのような系であってもよい。これらは、エポキシ、ポリイミドエポキシ、液晶エポキシ、シアネートエステルおよび他の低分子量ポリマーならびに様々な架橋剤を有する樹脂であってよい。
【００６２】
ディスクリートではない有機−無機ハイブリッドの場合には、ゾル−ゲル化学を使用して連続した分子合金を形成することができる。この場合には、水性および非水性反応を含むゾル−ゲル化学を考慮してもよい。
【００６３】
本発明の製品は、通常の電気絶縁材よりも高い熱伝導を示し、かつマイカガラステープ製造における結合樹脂として、通常のマイカテープ製造用の未反応の真空含浸樹脂としてならびに独立した材料として使用して回転および静電発電所、高電圧および低電圧両方の電気装置、電子装置、部材および製品における電気絶縁用途を満たしてもよい。本発明の製品は、相互に、ならびに従来技術のＨＴＣ材料および他の材料と組合わせてもよい。
【００６４】
マイクロおよびナノＨＴＣ粒子は、所望の構造、フィラメントおよび分枝デンドライトに自己凝集する能力に応じて選択してもよい。当然ながら粒子は、自己組織化するその能力に関して選択してもよいが、この方法は電界、磁界、ソニック、超音波、ｐＨコントロールのような外力によりまた界面活性剤および他の方法の使用により変更して、粒子の電荷分布を含む粒子表面の電荷状態を変化させてもよい。特殊な実施態様では、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、ダイヤモンドのような粒子は、自己組織化して所望の形状になる。このように所望の凝集構造は、高熱伝導性材料から初めに作られるか、またはホストマトリックスへ挿入する際に組織化されて作られる。
【００６５】
多くの実施態様では、ＨＴＣ材料の大きさと形状は、同じ用途内でも変化する。大きさと形状の範囲は同じ製品で使用される。長くまた短く変動する様々なアスペクト比のＨＴＣ材料は、樹脂マトリックスの熱伝導を増強し、向上した物理特性と性能を潜在的に提供する。しかし、観察すべき１つの点は、基質／絶縁材の層の間で架橋を生じるほど粒子の長さが長くならないことである。また、様々な形状と長さは、より均質な体積充填と充填密度を提供することによりＨＴＣ材料の浸透安定性を改善し、その結果より均質なマトリックスが生じる。大きさと形状を混合する場合には、１実施態様では、より長い粒子は、棒状であるのに対して、より小さな粒子は、球状、板状または円盤状むしろ立方形である。例えば、ＨＴＣ材料含有の樹脂は、直径１０〜５０nmの球状物を５５〜６５体積％、および長さ１０〜５０μｍの棒状物を約１５〜２５体積％、樹脂を１０〜３０体積％含有し得る。
【００６６】
他の実施態様では、本発明は有機−無機コンポジットをベースとする新規電気絶縁材料を提供する。熱伝導は、粘弾性特性や熱膨張係数、全体の絶縁のような他のファクターに加えて、誘電特性（誘電率や誘電損失）、導電率、絶縁耐力および電圧耐久性、熱安定性、引張弾性率、曲げ強さ、衝撃強さおよび熱耐久性のような他の絶縁特性に有害に影響することなく最適化される。有機および無機相は構成され、かつ選択されて特性と性能の適切なバランスを達成する。
【００６７】
１実施態様では、所望の形状と大きさ分布および選択された表面特性ならびにバルク充填剤特性を有するナノ、メソおよびマイクロ無機充填剤の表面コーティング剤は、互いに相補性である。これは、必要なバルク特性を維持しながら有機ホスト中の充填剤相の浸透構造と、相互結合特性を独立にコントロールできるようにする。さらに、有機および無機コーティング剤を単一または二次コーティング剤として使用して、粒子表面と有機マトリックスとの相溶化を確実にし、ホスト有機マトリックスと化学反応を生じるようにしてもよい。
【００６８】
形状に関しては、本発明は増強した浸透のために棒状と板状の傾向が自然にある単位体の粒子形状を利用する。ここで棒状物は、天然に形成されるものに加え、合成加工した材料を含めて最も有利な実施態様である。棒状物は、約５以上のアスペクト比を有する粒子として定義され、特殊な実施態様では１０以上であるが、より特殊な実施態様では１００未満である。１実施態様では、棒状物の軸方向長さは、約１０nm〜１００ミクロンの範囲内である。より小さな棒状物は、樹脂マトリックスに良く浸透し、樹脂の粘度において殆ど不利な作用がない。
【００６９】
多くのマイクロおよびナノ粒子は、粒状および円盤状の形を形成し、これは一定条件下で均一に分布する能力が少ないので、浸透が生じる濃度を減少させる凝集フィラメント状構造を導き得る。浸透を増大させることにより、樹脂の熱特性を増大させることができ、または代わりに樹脂に加える必要があるＨＴＣ材料の量を減らすことができる。また、増強した浸透は、結果として回避すべき凝集よりも樹脂内でＨＴＣ材料の均質な分布を生じ、不所望な界面、不完全な粒子湿潤およびマイクロ間隙形成を有さないような均質な製品を形成する。同様に、凝集したフィラメント状または樹枝状構造は、球状（高密度の）凝集物または凝集塊よりも、高いアスペクト比の粒子から形成され、増大した熱伝導を与える。
【００７０】
さらに、流場、電界および磁界をＨＴＣ材料に適用して、これらをエポキシ樹脂の内部に分散し、構造的に組織化することができる。交番電界または静電界を使用することにより、棒状物および板状物をマイクロスケールで配列させることができる。これは、様々な方向で種々の熱特性を有する材料を形成する。電界の形成は、この分野で公知の様々な技術、例えば、絶縁した電気コンダクターにわたって電極を取付けることにより、または材料の中心または絶縁系でコンダクターを使用することにより遂行してもよい。
【００７１】
有機表面コーティング剤、無機表面コーティング剤、例えば金属酸化物、窒化物、炭化物および混合系は、選択された粒度や形状分布と組合わさる場合に、絶縁系のバルク熱伝導率および電気伝導率がコントロールされた所定の浸透構造を提供し、その一方で粒子誘電率は系の誘電率をコントロールするように選択してもよい。コーティング剤のその他のタイプは、天然または合成源のマイクロ粒子およびナノ粒子ダイヤモンドコーティング剤である。多結晶および単結晶ナノ粒子型では、粒子はキャリヤー粒子、例えばシリカの表面と結合していてよい。シリカは、それ自体が強い熱伝導材料ではないが、表面コーティング剤の添加により、更に高い熱伝導材料になる。しかし、シリカおよびその他の材料は、上記のように棒状粒子に容易に形成されるような利点をもたらす特性がある。このように、種々のＨＴＣ特性を組み合わせて１つの製品にできる。これらのコーティング剤は、樹脂含浸あり、または無しのマイカおよびガラス成分の両方を含むマイカテープ構造物への用途がある。
【００７２】
反応性表面官能基は、無機コーティング剤に特有の表面基から形成しても、また付加的な有機コーティング剤を付与することにより達成してもよい。この両方には、ホスト有機マトリックスと化学反応が可能なヒドロキシル基、カルボン酸基、アミン基、エポキシド基、シラン基、ビニル基およびその他の基が含まれる。これらの単一または複数の表面コーティング剤および表面官能基は、湿式化学法、プラズマ重合を含めた非平衡プラズマ法および化学蒸着法および物理蒸着法、レーザービーム、スパッタイオンメッキ法および電子蒸着法ならびにイオンビーム蒸着法を用いて付与することもできる。
【００７３】
他の実施態様では、本発明は有機−無機コンポジットをベースとする新規電気絶縁系を提供する。種々の無機および有機成分の間の界面を化学的および物理的に均質にして、種々の相の間で高い度合いの物理的連続性を確実にし、かつ機械的に強い界面を提供し、高電圧と低電圧の両方の用途で利用する電気絶縁系の操作の際に失敗しにくくする。このような材料は、高電圧および低電圧電気絶縁状態での用途があり、その際、増強した界面団結性が増強した出力定格、絶縁系の高電圧応力、少ない絶縁材厚さに関して利点を与え、かつより高い熱輸送を達成するであろう。
【００７４】
特殊な実施態様では、有機マトリックスに関して無機表面を相溶化できるか、またはホスト有機マトリックスとの化学反応を起こすことができる様々な表面官能基を導入するために、様々な表面処理、ナノ、メソおよびマイクロ無機充填剤を使用する。これらの表面官能基には、ホスト有機マトリックスと化学反応できるヒドロキシル基、カルボン酸基、アミン基、エポキシド基、シラン基またはビニル基が含まれる。これらの官能基は、湿式化学法、非平衡プラズマ法、化学蒸着法および物理蒸着法、レーザービーム、スパッタイオンメッキ法および電子蒸着法ならびにイオンビーム蒸着法を用いて付与することもできる。
【００７５】
多くの実施態様では、表面処理材料はマイカ−ガラステープ製造において結合樹脂として、通常のマイカテープ製造用の未反応の真空含浸（GVPI&VPI）樹脂として、および独立した電気絶縁コーティング剤またはバルク材料において使用して、回転および静電発電所ならびに高電圧および低電圧両方の電気装置、部材および製品における電気絶縁用途または導電用途を満たしてもよい。また、全ての化学反応は揮発性副生成物を回避するために、付加反応の結果生じるべきであって、縮合反応ではないのがよい。
【００７６】
エポキシ樹脂における改善は、最近液晶ポリマーを使用することにより行われている。エポキシ樹脂と液晶モノマーを混合することにより、または液晶性メソゲンをDGEBAのようなエポキシ樹脂分子に挿入することにより、架橋して十分に改善された機械特性を有する配列したネットワークを形成できるポリマーまたはモノマー含有の液晶性熱硬化性樹脂（LCT）エポキシ樹脂が製造される。米国特許第5904984号を参照し、本明細書に参照して取入れることとする。LCTの更なる利点は、これらが標準的なエポキシ樹脂に対して改善された熱伝導を有し、かつ熱膨張係数（CTE）を下げることである。
【００７７】
LCTエポキシ樹脂をより興味を持たせるようにするものは、これらが標準的なエポキシ樹脂よりも熱を良好に伝導できることである。本明細書に参照して取入れるUS特許第6261481号は、LCTエポキシ樹脂が通常のエポキシ樹脂のものよりも優れた熱伝導を有して製造できることを示唆している。例えば、標準的なビスフェノールAエポキシは、横方向（平面）と厚さ方向の両方でメーターケルビン（W／mK）当たり０．１８〜０．２４ワットの熱伝導値を有することが示されている。これとは異なり、LCTエポキシ樹脂は、実際の用途で使用する場合には、横方向に０．４W／mK以下、かつ厚さ方向に０．９W／mKまでの熱伝導値を有することが示されている。
【００７８】
HTC材料に関して使用されているように紙に当てはめると、基質という用語は、絶縁紙が形成されるホスト材料を示すのに対して、紙マトリックスは、基質から作られるより完全な紙成分を示す。これらの２つの用語は、本発明の実施態様を検討する場合には多少互換性があって使用してもよい。熱伝導の増大は、損失係数のような電気的性質、または引張り強さ、凝集特性のような基質の物理的性質に著しい障害を起こすことなく遂行されるべきである。物理的性質は、幾つかの実施態様では表面コーティング剤のようなものを用いてむしろ改善できる。さらに、幾つかの実施態様では、ホスト紙マトリックスの電気抵抗はHTC材料の添加により増強できる。
【００７９】
通常は電気絶縁材に使用される標準のマイカ（白雲母、金雲母）の他に、黒雲母マイカならびにカオリナイト、ハロイサイト、モンモリロナイトおよびクリライトのような幾つかの他のマイカのようなアルミノケイ酸塩材料もある。モンモリロナイトは、その構造の中にラティスを有し、これは金属カチオン、有機化合物およびモノマーおよびポリマーのようなHTC材料と容易に挿入して高い絶縁耐力のコンポジットを生じることができる。
【００８０】
絶縁紙は、本発明の樹脂で含浸されてもよい単に１つのタイプの多孔質媒体である。多くの工業において、これらから作られるその他の多くの材料と成分は、その幾つかを以下に述べることにするが、種々のタイプの多孔質性媒体を使用して樹脂をこれらに含浸できる。一例としては、ガラス繊維マトリックスもしくは織物およびポリマーマトリックスもしくは織物があり、その際、織物は一般に布、マットまたはフェルトであってよい。平面の層板構造を有するガラス布の積層物である回路基板は、本発明の樹脂の使用から利点を得る１つの製品である。
【００８１】
ステーターコイルと一緒に使用される樹脂含浸のタイプは、VPIやGVPIとして知られている。テープをコイルの回りに巻付け、次に真空含浸法（VPI）により低粘度液体絶縁樹脂で含浸される。このプロセスは、マイカテープ中に閉じこめられた空気と湿気を除去するためにコイル含有のチャンバーを排気し、次に圧力下に絶縁樹脂を挿入してマイカテープを完全に樹脂で含浸し、このように間隙を除去し、マイカホスト中に樹脂絶縁材を製造することから成る。約２０％の圧縮は、幾つかの実施態様ではVPIプロセスに特定である。これが完了した後に、コイルを加熱して樹脂を硬化させる。樹脂は促進剤を含有してもよく、またテープはこの中に１つを有してもよい。このバリエーションでは、幅広いVPI（GVPI）は、乾燥した絶縁コイルを巻付け、次に全体のステーターが個々のコイルよりも真空圧含浸されるプロセスを含む。GVPIプロセスでは、コイルは樹脂で含浸する前に圧縮される。それというのも、乾燥コイルが含浸前に最終的な位置に挿入されるからである。様々な圧縮法が上記で検討されてきたが、本発明の実際の圧縮工程にVPI／GVPI含浸法を使用することもできる。
【００８２】
１実施態様では、本発明は高度構造化ホスト樹脂マトリックスと高熱伝導性充填剤を有する高熱伝導性高度構造化樹脂を提供する。高熱伝導性充填剤は長さ１〜１０００nmであり、かつ高熱伝導性充填剤３〜１００のアスペクト比を有する。特に、高度構造化樹脂には、少なくとも１つの液晶ポリマー、相互貫入ネットワーク、デンドリマータイプのマトリックス、膨張性ポリマー、ラダーポリマー、スターポリマーおよび構造化有機−無機ハイブリッドが含まれる。
【００８３】
関連する実施態様では、高熱伝導性充填剤は高度構造化ホスト樹脂マトリックスと連続した有機−無機コンポジットを形成する。その他の関連する実施態様では、高熱伝導性充填剤は１０〜５０の間のアスペクト比を有する。
【００８４】
他の実施態様では、本発明は高度構造化ホスト樹脂ネットワークと、前記高度構造化ホスト樹脂中に均質に分散し、かつ事実上完全にホスト樹脂ネットワークと共反応する無機高熱伝導性充填剤とを有する連続した有機−無機高度構造化樹脂を提供する。前記高熱伝導性充填剤は１〜１０００nmの長さと１０〜５０のアスペクト比を有し、かつ前記高熱伝導性充填剤は、少なくとも１つの酸化物、窒化物および炭化物から選択される。前記の連続した有機−無機高度構造化樹脂は、最大で６０体積％の高熱伝導性充填剤を有する。特殊な実施態様では、高熱伝導性充填剤は表面処理されてホスト樹脂ネットワークと事実上完全に共反応できる表面官能基が導入される。
【００８５】
関連する実施態様では、酸化物、窒化物および炭化物は、混ざった化学量論および非化学量論的組合せを有するＡｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＢｅＯ、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣおよびＳｉＯ2を有する。官能基は少なくとも１つのヒドロキシル基、カルボン酸基、アミン基、エポキシド基、シラン基およびビニル基を有する。それに対して、ホスト樹脂ネットワークにはエポキシ、ポリイミドエポキシ、液晶エポキシおよびシアネートエステルが含まれる。連続した有機−無機高度構造化樹脂は、最大で３５体積％の高熱伝導性充填剤を有する。
【００８６】
他の関連する実施態様では、高度構造化ホスト樹脂ネットワークには、エポキシ、ポリイミドエポキシ、液晶エポキシおよびシアネートエステルが含まれる。連続した有機−無機高度構造化樹脂は、さらに架橋剤を有していてよい。連続した有機−無機高度構造化樹脂は多孔質媒体中に含浸される。
【００８７】
さらに他の実施態様では、本発明は、多孔質媒体と高熱伝導性材料を装填した高度構造化樹脂とを有する高熱伝導性高度構造化樹脂で含浸した多孔質性媒体を提供する。高熱伝導性材料は、高度構造化樹脂を５〜６０体積％有する。高熱伝導性材料は３〜１００のアスペクト比を有し、かつ高度構造化樹脂は、少なくとも１つの液晶ポリマー、相互貫入ネットワーク、デンドリマータイプのマトリックス、膨張性ポリマー、ラダーポリマー、スターポリマーおよび構造化有機−無機ハイブリッドである。特殊な実施態様では、高熱伝導性材料は、全て約１〜１０００nmの大きさと１０〜５０のアスペクト比である少なくとも１つのシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛およびダイヤモンドならびにデンドリマーを有する。
【００８８】
特殊な実施態様では、高熱伝導性材料は、２５〜４０体積％の高度構造化樹脂を有する。多孔質性マトリックスは、マイカ−ガラス絶縁紙のような紙マトリックスである。多孔質媒体のその他のタイプには、回路基板やクロスマットおよびフェルトが含まれる。
【００８９】
本発明を主として電気工業での用途において検討してきたが、本発明は他の分野にも同等に適用可能である。熱輸送を増大させる必要のある工業では、本発明から同等に利益を得るであろう。例えば、エネルギー産業、化学工業、加工工業および石油やガスを含む製造工業ならびに自動車産業や宇宙産業である。本発明の他の注目点には、パワーエレクトロニックス、通常のエレクトロニックスならびに集積回路が含まれ、そこでは部材の密度を高めようとする絶え間ない要求が、局所的に、かつ大部分の領域で熱を効率的に取り除く必要性を生じる。本発明の特殊な実施態様が詳細に記載されている一方で、開示の全体的な教示に鑑みて、これらの詳細な説明に対して様々な修正や代案が生じ得ることが当業者には理解されるであろう。従って、開示された特殊なアレンジは、単に例示的なものを意味するのであって、本発明の範囲として限定されるわけではない。これは添付されている請求項の全ての範囲ならびにこれと同等のものに挙げられている。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１は、コンダクターの回りに巻かれたマイカテープを表す図である。
【図２】図２は、本発明の装填樹脂を通って移動するフォノンを表す図である。
【図３】図３は、高度構造化液晶樹脂内に配列したＨＴＣ充填剤を表す図である。
【図４】図４は、高度構造化POSS樹脂内に配列したＨＴＣ充填剤を表す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１３  コイル、  １４  コンダクター、  １５  ターン絶縁材、  １６  マイカテープ、  １８  バッキングシート、  ２０  マイカ層、  ２１  外周テープ、  ３０  ＨＴＣ材料、  ３２  樹脂マトリックス、  ３４  フォノン、  ３６  フォノン、  ４０  液晶ポリマー、  ６０  POSSネットワーク、  ｎ  平均行程長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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